레이언스 SPAD 기술 적용한 디텍터 기술 세계최초로 선보여
레이언스, SPAD 기술 적용한
차세대 디텍터 기술 세계 최초로 선보여
- 감도 2.5배 높고, 속도 4배 빠른 차세대 디텍터 기술 'SPAD-GS' 선보여
- 자율주행차/스마트폰용 라이다(LiDAR) 기술 응용해 ‘SPAD’로 세계 최초 엑스레이 디텍터에 도입 - 美 ISSCC 2023에서 연세대와 함께 논문 발표해 전 세계 학계 이목 집중
디지털 엑스레이 부품 및 소재 전문기업 레이언스(228850, www.rayence.com, 대표 서재정)는 세계 최고 반도체 학회인 ‘International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 2023’에서 ‘SPAD-GS’ 기술을 3D 디텍터에 성공적으로 적용한 논문을 발표했다. 기술 적용시 기존 동급 디텍터 대비 감도는 2.5배, 속도는 최소 4배 이상 빠른 3D 디텍터를 개발할 수 있다. 연구 성과는 범부처전주기의료기기 지원사업의 일환으로 연세대 채영철 교수와 협력하여 2021년부터 공동 연구를 진행한 결과이다. 차세대 이미지센서 시장을 주도할 ‘SPAD’ 디지털 픽셀 기술을 적용한 디텍터 연구 결과를 세계 최초로 선보이며 ISSCC에서 큰 주목을 받았다.
‘SPAD-GS(Global Shutter, 스파드 글로벌 셔터)’ 기술은 저선량/고속 구동 환경하에서도 최적의 영상 품질을 제공하는 차세대 3D 디텍터 기술이다. ‘SPAD’ 소자는 광자(Photon, 입자로서의 빛)를 증폭해 아주 미세한 수준의 광자가 들어와도 아주 많은 광자가 들어온 것 처럼 인식하게 한다. 이 특징으로 인해 ‘SPAD’ 디지털 픽셀을 디텍터 적용하면, 극단적인 저선량 환경에서도 엑스레이 영상 획득이 가능하며, 검출속도 역시 획기적으로 빨라진다. ‘SPAD’ 소자는 자율주행차, 스마트폰, 드론, 로봇 등의 3D 이미지센서(LiDAR, 라이다)에 활용되고 있는 차세대 반도체 기술로 꼽힌다. 엑스레이 영상을 촬영하는 디텍터에 ‘SPAD’ 디지털 픽셀을 성공적으로 도입한 것은 레이언스가 세계 최초다.
여기에 더해, GS(Global Shutter 글로벌 셔터) 기술을 적용했다. 이는 피사체가 빠르게 움직일 때 잔상을 없애 고품질 영상을 획득하는 기술이다. 레이언스는 ‘GS’ 기술과 ‘SPAD’의 빠른 응답속도를 결합하여 피사체의 움직임으로 인해 발생하는 영상품질의 저하를 최소화했다. 이외에도 레이언스는 ‘SPAD-GS’ 기술 적용에 주요 장벽이 되었던 낮은 강건성(엑스레이를 견디는 내성), 높은 전력소모, 영상왜곡 등의 난제들을 모두 해결하며, 높은 기술력을 입증했다.
레이언스의 차세대 3D 디텍터 기술은 엑스레이 검사 결과를 초고속 3D 영상으로 활용해야 하는 분야에서 각광받을 것으로 예측된다. 정형외과 수술 시 동영상 엑스레이 촬영을 위해 사용하는 의료기기인 ‘C-ARM’, 빠른 영상 검사가 생산원가와 결부되는 배터리/전자부품 검사, 항공/원전 부품 검사 시장 등이 대상이며, 그간 해외 디텍터 기업이 대부분 점유해 온 시장이다. 레이언스는 공동 연구개발기관인 연세대학교, 리스템과 함께 차세대 디텍터 및 의료기기 시스템 제품 양산을 준비한다.
레이언스는 지난 2020년도에 개최된 ISSCC에서도, 대면적 고화질 CMOS 엑스레이 디텍터 기술에 대한 논문을 연세대학교와 공동 발표하며 호응을 얻은 바 있다. 2020년도에 발표한 기술을 상용화해, 세계 최초로 21x21cm one-die CMOS 엑스레이 디텍터 ‘MIDAS2121(마이다스)’을 출시했다. MIDAS2121는 전기자동차용 2차전지 엑스레이 검사 시 빠르게 동영상으로 검사할 수 있는 강점을 인정받아, 2022년 차세대 세계일류상품으로 선정된 바 있다. 레이언스는 ISSCC 2023에서 발표한 신기술도 빠르게 양산에 착수한다. 임상, 인증 등의 단계를 거쳐 수년 내 양산해 고사양 디텍터 시장을 기술 초격자로 앞서간다는 계획이다.
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참고자료: 레이언스가 세계 최초로 디텍터에 적용한 ‘SPAD’란
단광자 애벌런치 다이오드(Single-Photon Avalanche Diode, 이하 SPAD)는 소자의 매우 높은 이득(Gain) 특성으로 단광자(Single Photon)를 검출할 정도로 효율이 극도로 높은 차세대 반도체 광 소자다. SPAD에서는 소자의 항복 전압(Breakdown Voltage)보다 높은 전압을 걸어주었을 때 매우 큰 전기장(Electric Field)에 따라 자유전자(Carrier)가 가속돼 원자와 강한 충돌을 일으키고, 이에 따라 원자에 구속돼 있는 전자가 방출돼 자유전자의 수가 급속도로 증가하는 ‘충격 이온화(Impact Ionization)’ 현상이 일어난다. 이것을 애벌런치 증폭(Avalanche Multiplication)이라 하며, 이 효과로 인해 외부에서 이미지 센서로 조사된 광자(Photon)로 인해 생성되는 자유전자의 수가 매우 크게 증가한다. 즉, 주변 환경이 매우 어둡거나 아주 멀리서 빛이 조사돼, 이미지 센서에 아주 미세한 수준의 광자만 들어왔다고 하더라도 이 광자를 증폭해 아주 많은 광자가 들어 온 것처럼 인식할 수 있다는 의미다. 또한, SPAD 소자는 광자가 소자로 들어왔을 때 출력으로 디지털 펄스(Digital Pulse)를 내보내는 특성이 있기 때문에, 디지털 디텍터의 구현에 용이하고 디지털 변환 시에 추가되는 노이즈가 없어 기존 센서 대비 매우 낮은 잡음 수준을 가지는 것이 특징이다.
참고자료: ISSCC는
ISSCC(International Solid-State Circuit Conference) 학회는 1954년 이후 매년 개최되는 반도체 집적회로 시스템 분야 세계 최대 규모의 학술 대회다. 세계 주요 대학 및 국내외 유수의 반도체 기업들이 참여하고, ‘반도체 회로계의 올림픽’이라 불리는 설계 분야 최고 권위학회로 꼽힌다. 600여편 이상의 반도체 회로 관련 논문이 제출되며, 까다로운 심사과정을 거쳐 200여 편의 논문을 엄선해 발표한다.
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Company brief: 레이언스
레이언스(228850, 대표이사 서재정, [http://www.rayence.com)]www.rayence.com)는 세계 최초로 TFT, CMOS X-선 디텍터 핵심 기술을 내재화하고, 제조 풀라인업을 구축하고 있다. 덴탈 이미징 시장은 물론, 의학 전 분야, 다양한 산업용 분야에 디텍터와 I/O 센서(구강 내 촬영용 센서)를 공급한다. TFT와 CMOS, 치과용 구강센서까지 핵심기술을 모두 보유하고 제조하는 기업은 레이언스가 유일하다. 세계 시장 점유율 1위인 I/O 센서는 물론 치과용 디텍터 등 여러 분야에서 시장을 선도한다. 자회사 '우리엔'을 통해 동물용 의료기기 및 솔루션 사업에 진출했고, 국내 최초로 지르코니아 분말을 개발하는 등 사업 영역을 적극적으로 확대하고 있다. 레이언스는 2016년 코스닥에 상장했으며, 2022년 연간 매출액은 1,471억 원, 영업이익은 261억 원이다.
